平面近場測量系統(tǒng)集成與實現(xiàn)

摘要:為滿足天線方向圖的平面近場測量[1-2]，設計了一套功能強大的自動平面近場測量系統(tǒng);在硬件方面采用了分布式的搭建形式，而在軟件方面則使用了Borland C++ Builder 6.0[3]和Matlab7.0并采用模塊化、層次化的軟件集成方式，提高了軟件的可維護性，縮短了開發(fā)周期;該系統(tǒng)實現(xiàn)了0.1～18GHz頻帶下，對天線方向圖的平面近場測量，并同時進行數(shù)據(jù)的接收、處理、分析和顯示;該系統(tǒng)豐富的功能為天線(陣列)方向圖的測量[4-5]提供了強大的測試平臺。

關鍵詞:平面近場;近場變換;方向圖

中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-10096-02

Integration and Implementation of Wide-Band Planar Near-field Measurement System

LIN Wei， WANG Bin-hu， JING Zhen-yi， YUAN Nai-chang

(Microwave Center of NUDT， Changsha 410073， China)

Abstract: To meet the needs of near-field measurement for antenna， a powerful automatic measurement system is designed; In hardware， the distributed construction form is adopted， while in software， the integration form of modularization and arrangement are adopted， Borland C++ Builder 6.0 and Matlab7.0 are used too. Thus， the software’s maintainability is improved and the developing period is shorten; The system can be used to measure the pattern of antenna， and can receive， process， analysis and display data simultaneity， under the bandwidth of 0.1-18GHz; The powerful function of this system supplies a excellent platform to measure the pattern of antenna.(arrays).

Key words: planar near-field; near-field-transform; pattern

分布式超寬帶平面近場測量系統(tǒng)的建設主要是提高近場環(huán)境下天線方向圖的測量和分析能力，并以建立數(shù)據(jù)資源倉庫的形式實現(xiàn)對總體平臺發(fā)展的支持。可用于支撐目標探測技術、目標識別技術、先進電子信息技術方面的創(chuàng)新研究和人才培養(yǎng)。而目前，國內相關的近場測量系統(tǒng)在精度、靈敏度及測試系統(tǒng)搭建方面都存在不少問題[6]。為此，我們自行集成與實現(xiàn)了一套平面近場測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特色在于:1) 測量能力強。可進行天線的超寬帶方向圖測量。包括天線的頻率及脈沖響應，幅度、天線的幅度、相位方向圖，駐波比等。2) 系統(tǒng)工作頻帶寬。能夠實現(xiàn)外場0.1～18GHz頻帶下的天線超寬帶方向圖和一些電參數(shù)的測量。3) 測量系統(tǒng)精度高。一般情況下，方向圖和天線增益測量誤差可達到1dB以下。

1 系統(tǒng)硬件組成和原理

1.1 系統(tǒng)硬件結構

如圖1所示，系統(tǒng)基本組成如下:

1) 射頻微波儀器。主要包括發(fā)射端發(fā)射信號源、發(fā)射天線、接收端接收天線(探頭)、矢量網(wǎng)絡分析儀等。

2) 定位裝置。主要包括低反射掃描架和支架。主要實現(xiàn)放置天線的定位、雙向高精度移動，對目標進行三維方向圖測量。

3) 主控計算機。主要包括主控計算機和GPIB、串口[3]等相應的標準通信控制接口。主控計算機安裝有系統(tǒng)集成軟件，完成對硬件的級聯(lián)控制和操作，實現(xiàn)功能測試，進行數(shù)據(jù)通信和后端數(shù)據(jù)處理。

1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，在主控計算機控制下，射頻信號源發(fā)射信號，通過耦合器分為兩路，一路輸送到參考混頻器與本振信號混頻形成8.33MHz的中頻信號，另一路經(jīng)過發(fā)射天線向探頭天線發(fā)射，接收端接收探頭在平面上每個網(wǎng)格點上接收信號，并送入矢量網(wǎng)絡分析儀內部接收機作為測試信號，接收機完成網(wǎng)格點微波信號的幅相測試。然后通過軟件系統(tǒng)，完成近場幅相數(shù)據(jù)的近場變換，從而實現(xiàn)天線的方向圖和增益等的測試。

2 系統(tǒng)軟件設計

我們所開發(fā)的軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能:實現(xiàn)測量系統(tǒng)硬件控制(包括微波射頻儀器和機械定位裝置)，可完成用戶多種測量任務，具有測量設備現(xiàn)場實時指令狀態(tài)通信以及數(shù)據(jù)傳輸能力;具有數(shù)據(jù)實時顯示、刷新、讀寫能力;具有動態(tài)交互能力;具有數(shù)據(jù)處理功能;具有錯誤狀態(tài)提示以及對異常狀態(tài)的處理能力;具有位置誤差和掃描面階段誤差自動補償功能[7-9]。軟件采用高級編程語言Borland C++ Builder6.0結合Matlab7.0混合編程來實現(xiàn)。編譯后可獨立運行于Windows XP/2000/NT等操作系統(tǒng)。

2.1 軟件層次和功能模塊劃分

按照模塊化、層次化的標準化軟件設計理論，如圖2所示，本軟件系統(tǒng)可剖分為以下幾大模塊和層次。各個模塊相互協(xié)調工作，以完成天線測量和數(shù)據(jù)處理等功能。

2.2 軟件結構設計

在對各個功能模塊剖分設計的基礎上，還需要設計軟件內部三大結構，即數(shù)據(jù)結構、邏輯結構、時序結構。其中數(shù)據(jù)結構設計屬于較低層的結構設計范疇，主要針對參數(shù)層次進行;邏輯結構、時序結構屬于較高層次的結構設計范疇，主要針對事件層次進行。上述功能模塊設計完成后，要實現(xiàn)最終的軟件測量功能，還需要完成對于事件的觸發(fā)響應方式編程。對于事件的觸發(fā)響應，便需要完成兩種結構設計，即邏輯結構設計和時序結構設計。

測量數(shù)據(jù)存儲是典型的邏輯結構設計，參見圖3。首先判斷存儲事件是否發(fā)生，然后判斷數(shù)據(jù)存儲格式、存儲地址是否正確，最后進行事件響應，進行數(shù)據(jù)存儲。

測量過程屬于典型的時序結構設計參見圖4。首先判斷測量事件是否發(fā)生，然后對射頻儀器和定位裝置進行時序控制，進行事件多線程響應，完成整個測量過程。

3 測試結果及數(shù)據(jù)分析

利用該測量系統(tǒng)，對3.1GHz—3.5GHZ的波導縫隙天線陣進行了測量[10-11]，下面對測量結果進行分析。

3.1 近場測試數(shù)據(jù)分析

對近場情況下頻率為3.35GHz時所測得的近場幅度和相位數(shù)據(jù)進行處理，做出近場數(shù)據(jù)的三維圖形，如圖5所示，是近場幅度圖形。

3.2 近遠場變換結果

把剛才的近場數(shù)據(jù)在系統(tǒng)軟件中進行變換[12]，得到如圖6所示的結果，橫坐標為θ方向角度，縱坐標為變換后天線電場的dB值，與直接遠場測得的方向圖(如圖7所示)比較，發(fā)現(xiàn)二者所得的結果吻合的比較好，這表明了該系統(tǒng)的正確性。至于方向圖的不對稱主要是由截斷誤差和探頭位置誤差引起的。

圖6 天線陣近場變換所得的E面方向圖(3.35G)

圖7 天線陣遠場測量得到的E面方向圖(3.35G)

4 結束語

我們集成的這套平面近場測試系統(tǒng)優(yōu)點在于: 系統(tǒng)工作頻帶寬，功能強大;測試效率很高;系統(tǒng)測量精度高;人機界面友好，放便使用。目前這套系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，測試精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性達到了預期效果。

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